智能型太陽能半導體制冷便攜式冰箱設計

徐巧年，馬 軍

（武威職業學院，甘肅 武威 733000）

0 引 言

半導體技術的發展推動了電子技術的飛速進步，在分立元件和集成電路中也有較為廣泛的應用。隨著1834年法國人珀爾帖做實驗得出電流經過不同導體的接點會產生放熱或吸熱現象的珀爾帖效應后，半導體技術制冷成為人們研究的新方向。目前，市面上的家用大型冰箱基本都采用壓縮機進行制冷，制冷溫度可達-18 ℃，制冷效果較好。但是，由于采用小型壓縮機，設備成本較高，不宜搬運且戶外不宜取電，限制了其使用范圍。

半導體制冷是利用半導體的熱電效應來制取冷量，又稱熱電制冷，具有熱電能量轉換的特性。珀爾帖效應具體指用導體連接兩塊不同的金屬接通直流電后，一個接點處溫度降低而另一個接點處溫度升高的現象。由于純金屬的熱電效應較小，因此用一個N型半導體和一個P型半導體來代替金屬可增大熱電效應。這種制冷新技術與傳統的制冷方法不同，既沒有制冷劑，又沒有復雜的機械設備和管路系統，只要給熱電制冷器通電，幾分鐘后會結一層雪白的冰霜，既方便又迅速。

本項目設計的智能型太陽能半導體制冷便攜式冰箱，采用太陽能、蓄電池以及220 V市電進行供電，核心使用40 W半導體制冷片作為工作原件，用STC89C52單片機控制溫濕度傳感器實時檢測冰箱溫濕度，進行精確溫度控制。此外，冰箱內放置了隔熱層，成功阻斷了冰箱內外溫度的交換。制冷半導體式冰箱的制冷溫度可降到0 ℃以下，達到了冷凍的目的。

1 系統總體框架設計

智能型太陽能半導體制冷便攜式冰箱的設計中，系統利用半導體制冷片和鋁制制冷塊實現制冷。運轉所產生的熱量通過6根銅管傳輸至散熱器，而散熱器底部安裝有風扇，通過風扇散熱實現制冷。箱體內外都粘有雙面鋁箔氣泡隔熱保溫材料，以保證達到更好的制冷效果。箱體內部溫濕度通過溫濕度傳感器測量顯示在液晶屏上[1]。系統主要由電源模塊、制冷模塊、散熱模塊、控制模塊以及箱體5個模塊組成，如圖1所示。

圖1 智能型太陽能半導體制冷便攜式冰箱設計系統結構框圖

2 系統硬件設計與選型

2.1 電源模塊

智能型太陽能半導體制冷便攜式冰箱的系統電源模塊，有太陽能供電、蓄電池供電以及直流12 V電源供電3種供電方式。當便攜式冰箱在戶外時，可以通過太陽能光伏板吸收太陽光，經光電效應轉化后為蓄電池充電，進而為冰箱供電。太陽能轉換電路由控制器、充電模塊、蓄電池以及用電器接口4部分組成[2]。當便攜式冰箱在家中或有220 V交流電供電時，系統采用電源適配器將220 V的交流電轉化為12 V的直流電為整個系統供電，同時為蓄電池充電。由于冰箱內器件模塊均采用5 V直流電供電，因此系統送入的12 V直流電需通過LM7805穩壓芯片轉換為5 V直流電，為STC89C52單片機、DHT11溫濕度傳感器以及液晶顯示器LCD1602等元器件供電。直流12 V轉直流5 V電源電路設計原理圖如圖2所示。

圖2 直流12 V轉直流5 V電源電路設計原理圖

2.2 制冷模塊

制冷模塊主要由半導體制冷片組成。根據太陽能電池板的規格參數和蓄電池的充放電電壓，選用的半導體制冷片的型號為TEC1-12705。它的正常工作電壓為12 V，最大工作電流為5 A，最大溫差為67 ℃，尺寸為40 mm×40 mm×4 mm。半導體制冷片一般都采用直流電作為電源，可以實現制冷又可以實現制熱。通過改變直流電流的極性可改變制冷片實現制冷或制熱，最大制冷量為40 W，空載狀態下15 min內可使冰箱內溫度降至0 ℃以下。

2.3 散熱模塊

散熱模塊由6根銅管、散熱器以及風扇組成。其中，6根銅管起支撐作用和熱量傳導作用。銅管一端連接半導體制冷片，另一端連接散熱器。散熱器上裝載有風扇，可以加速熱量流出，更快地產生制冷效果。

2.4 控制模塊

控制模塊主要由STC89C52單片機、DHT11溫濕度傳感器、LCD1602液晶顯示器以及按鍵組成。其中，STC89C52單片機是成熟的8位低功耗且高性能的微控制器單片機，有8 kB程序存儲空間和512 kB數據存儲空間。DHT11溫濕度傳感器的供電電壓為3.3～5.5 V，輸出單總線數字信號，濕度的測量范圍為20% RH～90% RH，溫度范圍為0～50 ℃，濕度的測量精度為±5% RH，溫度的測量精度為±2 ℃，濕度的分辨率為1% RH，溫度的分辨率為1 ℃。LCD1602液晶顯示器用來顯示冰箱內的溫濕度，可以顯示上下2行，工作電壓為4.5～5.5 V，工作電流為2.0 mA。按鍵電路可以控制溫濕度上下限[3]。控制模塊的電路原理如圖3所示，單片機控制DHT11溫濕度傳感器電路原理如圖4所示。

2.5 箱 體

箱體采用亞克力板，內部用雙面鋁箔氣泡材料做隔熱保溫層，正面預留打孔位置放置LCD1602液晶顯示器和按鍵，背面預留打孔位置放置風扇。箱體內分為上下兩部分，上部分為用來存放需要冷藏食物的儲藏室，下半部分為存放控制模塊、制冷模塊以及散熱模塊的空間。箱體連接處采用密封膠進行密封，以保障冰箱的密封性。

3 系統軟件設計

系統軟件開發平臺選用keil5，采用C語言進行編寫。仿真應用Proteus軟件。打開開關電源后，系統進入初始化狀態，溫濕度傳感器DHT11開始采集數據，同時半導體制冷片開始工作。溫濕度傳感器采集的數據傳送到單片機，單片機經過比較和數據處理后，傳送到LCD1602液晶顯示器進行顯示。按鍵可以調節設置冰箱內溫濕度的上限和下限，當超過閾值時能夠使冰箱自動停止工作。主控制器可以檢測電源電路中的電壓和電流，通過合并計算并與半導體制冷片的功率相比較，以便及時對蓄電池進行充電和放電[4]。同時，蓄電池充電有防過充措施，當蓄電池充滿電時，可以自動斷開充電，起到保護蓄電池的作用。系統主程序模塊流程如圖5所示。

圖3 智能型太陽能半導體制冷便攜式冰箱設計控制模塊電路圖

圖4 單片機控制DHT11溫濕度傳感器電路原理圖

圖5 系統主程序模塊流程圖

4 結 論

智能型太陽能半導體制冷便攜式冰箱采用半導體制冷片為主要制冷元件，同時采用太陽能供電、蓄電池供電以及220 V市電供電3種供電方式，由單片機作為主控實現智能控制。現場調試和實驗測量證明，它能夠滿足食物存儲的條件，解決了人們自駕游過程中食物難以有效存儲而變質的問題，具有較強的實用性和推廣性。